Was ist Alpha-Zerfall vs Gamma-Zerfall – Radioaktivität – Definition

Alpha-Zerfall vs Gamma-Zerfall. Dieser Artikel fasst die Hauptunterschiede zwischen Alpha und Gamma-Zerfall zusammen, die unterschiedliche Natur haben. Gammastrahlen sind hochenergetische Photonen, während Alphateilchen Kerne von Heliumatomen sind. Strahlendosimetrie

Alpha-Zerfall  (oder α-Zerfall und auch Alpha-Radioaktivität ) repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms. Dieser Übergang kann charakterisiert werden als:

Alpha-Zerfall - Alpha-Radioaktivität

Wie aus der Figur ersichtlich ist, werden Alpha-Teilchen beim Alpha-Zerfall emittiert. Alpha-Teilchen sind energetische Heliumkerne . Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen , die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Alpha-Teilchen sind relativ groß und tragen eine doppelt positive Ladung. Sie sind nicht sehr durchdringend und ein Stück Papier kann sie aufhalten. Sie reisen nur wenige Zentimeter, legen aber ihre ganze Energie auf ihren kurzen Wegen ab.

In der Praxis wurde diese Art des Zerfalls nur bei Nukliden beobachtet, die erheblich schwerer als Nickel sind, wobei die leichtesten bekannten Alpha-Emitter die leichtesten Isotope (Massenzahlen 106–110) von Tellur (Element 52) ​​sind. In Kernreaktoren tritt Alpha-Zerfall beispielsweise im Brennstoff auf (Alpha-Zerfall schwerer Kerne). Alpha-Partikel werden üblicherweise von allen in der Natur vorkommenden schweren radioaktiven Kernen ( Uran , Thorium oder Radium) sowie von den transuranischen Elementen (Neptunium, Plutonium oder Americium) emittiert .Uran 238 Zerfall.

Theorie des Alpha-Zerfalls – Quantentunneln

Unter den verschiedenen Kanälen, in denen ein Kern zerfällt, war der Alpha-Zerfall einer der am meisten untersuchten. Der Alpha-Zerfallskanal in schweren und superschweren Kernen hat Informationen über die grundlegenden Eigenschaften von Kernen geliefert, die weit von der Stabilität entfernt sind, wie z. B. ihre Grundzustandsenergien und die Struktur ihrer Kernniveaus.

Alpha-Zerfall ist ein Quantentunnelprozess . Um emittiert zu werden, muss das Alpha-Teilchen eine Potentialbarriere durchdringen. Dies ähnelt dem Clusterzerfall , bei dem ein Atomkern einen kleinen „Cluster“ von Neutronen und Protonen emittiert (z . B. 12 C).

Die Höhe der Coulomb-Barriere für Kerne von A «200 beträgt etwa 20-25 MeV . Die beim Zerfall des Kerns emittierten Alpha-Teilchen haben typische Energien von etwa 5 MeV. Einerseits wird ein ankommendes 5-MeV-Alpha-Teilchen von einem schweren Kern gestreut und kann die Coulomb-Barriere nicht durchdringen und sich dem Kern ausreichend nähern, um über die starke Kraft zu interagieren. Andererseits kann ein 5-MeV-Alpha-Teilchen, das in einer nuklearen Potentialwanne gebunden ist, dieselbe Coulomb-Barriere tunneln.

Alpha-Zerfall - QuantentunnelnBis 1928 hatte George Gamow (und unabhängig von Ronald Gurney und Edward Condon ) die Theorie des Alpha-Zerfalls durch Quantentunnelung gelöst. Sie nahmen an, dass das Alpha-Teilchen und der Tochterkern vor seiner Dissoziation im Elternkern existieren, nämlich vor dem Zerfall quasistationärer Zustände (QS). Ein quasistationärer Zustand ist definiert als ein langlebiger Zustand, der schließlich zerfällt. Anfänglich schwingt der Alpha-Cluster im Potential des Tochterkerns, wobei das Coulomb-Potential deren Trennung verhindert. Das Alpha-Teilchen wird vom Kern in einer Potentialwanne gefangen. Klassisch ist es verboten zu entkommen, aber nach den (damals) neu entdeckten Prinzipien der Quantenmechanik hat es eine winzige (aber nicht Null) Wahrscheinlichkeit, durch die Barriere zu „tunneln“ und auf der anderen Seite zu erscheinen, um dem Kern zu entkommen . Unter Verwendung des Tunnelmechanismus berechneten Gamow, Condon und Gurney die Durchdringbarkeit des Tunnelns von α-Partikeln durch die Coulomb-Barriere. Finden der Lebensdauern einiger α-emittierender Kerne. Der Haupterfolg dieses Modells war die Reproduktion des semi-empirischen Geiger-Nuttall-Gesetzes, das die Lebensdauer der α-Emitter in Bezug auf die Energien der freigesetzten α-Teilchen ausdrückt. Es muss beachtet werden, dass andere übliche Formen des Zerfalls (z. B. Beta-Zerfall) durch das Zusammenspiel sowohl der Kernkraft als auch der elektromagnetischen Kraft bestimmt werden.

Besondere Referenz: WSC Williams. Kern- und Teilchenphysik. Clarendon Press; 1 Ausgabe, 1991, ISBN: 978-0198520467.

 

Gamma-Zerfall oder γ-Zerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch Emission von Gammastrahlen (hochenergetische Photonen). Dieser Übergang ( γ-Zerfall ) kann charakterisiert werden als:

Gamma-Zerfall - Gamma-Radioaktivität - Definition

Wie zu sehen ist, bleiben die Atom- und Massenzahlen des Tochterkerns gleich , wenn ein Kern einen Gammastrahl aussendet , aber der Tochterkern bildet einen unterschiedlichen Energiezustand desselben Elements. Es ist zu beachten, dass Nuklide mit gleicher Protonenzahl und gleicher Massenzahl (wodurch sie per Definition dasselbe Isotop sind), jedoch in einem anderen Energiezustand, als Kernisomere bekannt sind. Wir geben normalerweise Isomere mit einem hochgestellten m an, also: 241 m Am oder 110 m Ag.

Jod 131 - Zerfallsschema
Jod 131 – Zerfallsschema

In den meisten praktischen Laborquellen werden die angeregten Kernzustände beim Zerfall eines Elternradionuklids erzeugt, daher begleitet ein Gamma-Zerfall typischerweise andere Formen des Zerfalls , wie den Alpha-Zerfall oder den Beta-Zerfall. Typischerweise enthalten Kerne nach einem Beta-Zerfall (isobarer Übergang) normalerweise zu viel Energie, um in ihrem endgültigen stabilen oder Tochterzustand zu sein.

Gammastrahlen sind hochenergetische Photonen mit sehr kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Gammastrahlen vom radioaktiven Zerfall liegen im Energiebereich von einigen keV bis ~ 8 MeV, was den typischen Energieniveaus in Kernen mit relativ langen Lebensdauern entspricht. Wie geschrieben wurde, entstehen sie durch den Zerfall von Kernen beim Übergang von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie. Da die Gammastrahlen im Wesentlichen nur sehr energiereiche Photonen sind, sind sie sehr durchdringende Materie und daher biologisch gefährlich. Gammastrahlen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und leicht durch den menschlichen Körper gelangen.

Im Gegensatz zu alpha und beta Radioaktivität , Gamma Radioaktivität wird durch eine geregelten elektrostatische Wechselwirkung eher als eine schwache oder starke Wechselwirkung . Wie bei atomaren Übergängen trägt das Photon mindestens eine Einheit des Drehimpulses weg (das Photon, das durch das elektromagnetische Vektorfeld beschrieben wird, hat einen Spin-Drehimpuls von ħ), und der Prozess bewahrt die Parität .

Besondere Referenz: WSC Williams. Kern- und Teilchenphysik. Clarendon Press; 1 Ausgabe, 1991, ISBN: 978-0198520467.

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